工程材料学4

温A 度 1 过 冷
奥 氏 体
A
A→P
转变终了线
P B
转变开始线
A→B
MS
转变开始点的连线称转变开始线。 转变终了点的连线称转变终了线。 A1-Ms 间及转变开始线以左的区域 为过冷奥氏体区。 转变终了线以右及Mf以下为转变产 物区。 两线之间及Ms与Mf之间为转变区。
A→M
Mf
M 时间
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a）炉冷：珠光体转变 b）空冷：索氏体转变 c）油冷（Vk′<冷速<Vk） ：先发生屈氏体转变后相变终止，剩余过 冷奥氏体冷至Ms以下发生马氏体转变； d）水冷（冷速>Vk）：马氏体转变。 东北大学
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4.2钢的热处理工艺 退火
钢加热至某一温度， 充分保温后，炉冷。
淬火
将钢件加热至相变点以上， 保温一定时间，然后以大 于临界冷却速度冷却的工 艺。
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4.1.2钢在冷却时的转变
3、过冷奥氏体低温转变 奥氏体过冷到Ms以下将转变为马 氏体转变。 马氏体是碳在 α-Fe 中过饱和固溶体， 具有高的硬度和强度，马氏体相变是 金属材料主要强化方法之一。 马氏体针片从母相奥氏体界面或晶 内某些特定位向以切变转变的形式 形成。
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4.1.2钢在冷却时的转变
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第四章 钢的热处理
热处理特点：热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的 特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。 热处理适用范围：只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态 相变的材料不能用热处理强化。
钢的热处理的主要内容：
热处理原理：描述热处理时钢的组织转变规律；
热处理工艺：根据热处理原理制定的对材料或工件进行热处理的 温度、时间、介质等参数。
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4.1.2钢在冷却时的转变
过冷奥氏体： 奥氏体在临界点以上为稳定相，不会发生转变，冷至临界点以下将处于不稳 定状态，奥氏体将发生分解转变。处于临界点以下尚未发生分解转变的奥氏 体称为过冷奥氏体。
一、过冷奥氏体的等温转变
1．过冷奥氏体高温转变 过冷奥氏体在A1至550℃区间分解转变，转变产物为珠光体类型组织， 为扩散型转变。它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物，根据片 层厚薄不同，又分为珠光体、索氏体和托氏体。 珠光体：形成温度为A1-650℃，片层较厚； 索氏体：形成温度为650-600℃，片层较薄； 托氏体：形成温度为600-550℃，片层极薄..
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4.1.2钢在冷却时的转变
3、影响C 曲线的因素 ⑴ 成分的影响 ① 含碳量的影响：共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。Ms 与Mf 点随含碳量增加而下降。 与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢C曲线的上部各多一条先共析相 的析出线。
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4.1.2钢在冷却时的转变
② 合金元素的影响 除Co 外, 凡溶入奥氏体的合金元素都使C 曲线右移； 某些合金对珠光体转变与贝氏体转变具有不同的延缓作 用，使C曲线出现两个“鼻子”。
马氏体的晶体结构
马氏体具有体心正方晶格（a=b≠c） 轴比c/a 称马氏体的正方度,C% 越高，正方度越大，正方畸变越严重。当＜ 0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格.
马氏体的形态
C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体。 C%大于1.0%C时几乎全部是针状马氏体。 C%在0.2~1.0%之间为板条与针状的混合组织。
马氏体的性能
高硬度是马氏体性能的主要特点。 马氏体的硬度主要取决于其含碳量。 含碳量增加，其硬度增加。
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4.1.2钢在冷却时的转变
马氏体转变的特点
⑴ 无扩散 ⑵ 切变 晶格转变是以切变机制进行的。 ⑶ 降温形成 马氏体转变开始的温度称上马氏体点，用Ms 表示。
⑷高速长大 马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。
⑸ 转变不完全 当含碳量达0.5%后，马氏体转变后残余奥氏体含量显著，量随含 碳量增加，残余奥氏体含量增加。
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4.1.2钢在冷却时的转变
二、过冷奥氏体的等温转变图
过冷奥氏体的等温转变图是表示 奥氏体急速冷却到临界点 A1 以 下在各不同温度下的保温过程中 转变量与转变时间的关系曲线， 又称C 曲线、TTT曲线。
第四章 钢的热处理
改善钢的性能 合金化 热处理
热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结 构，获得所需要性能的一种工艺。 制 造 业 广 泛 应 用 在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理 在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80% 模具、滚动轴承100%需经过热处理 总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。
临界温度与实际转变温度 铁碳相图中PSK、GS、ES线分 别用 A1 、 A3 、 Acm 表示 , 实际 加热或冷却时存在滞后现象， 因此将钢加热时的实际转变温 度分别用 Ac1 、 Ac3 、 Accm 表 示；冷却时的实际转变温度分 别用Ar1、Ar3、Arcm表示。
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4.1.1钢在加热时的转变
4.1.2钢在冷却时的转变
2、C 曲线的分析 ⑴ 转变开始线与纵坐标之间的距离为孕 育期。 孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小. 孕育期最小处称C 曲线的“鼻尖”。碳钢 鼻尖处的温度为550℃。 在鼻尖以上, 温度较高，相变驱动力小。 在鼻尖以下，温度较低，扩散困难。从而 使奥氏体稳定性增加。 ⑵ C曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温 度下的等温转变产物。
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4.1.2钢在冷却时的转变
珠 光 体
索 氏 体
珠光体（P）：0.6-1.0μ m
索氏体（S）：0.2-0.3μ m
屈氏体（T）：0.1-0.15μ m
片间距越小，钢的强度、硬度越高， 而塑性和韧性略有改善。
屈氏体
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4.1.2钢在冷却时的转变
珠 光 体 转 变 过 程
渗碳体
奥氏体 贫碳
1. 奥氏体的形成过程 共析钢奥氏体化的转变过程 加热至 Ac1 以上，珠光体处于不 稳定状态，铁素体和渗碳体界 面上原子排列纹乱，碳浓度不 均，能量较高，奥氏体晶核优 先在晶界上形成。
形 核
晶 核 核 长 大
碳原子、铁原子不断扩散，渗碳体 不断溶入奥氏体，铁素体不断转变 成奥氏体。即奥氏体界面不断向铁 素体和渗碳体推移，
转变温度350℃－Ms区间的产物称为 下贝氏体。 转变特点：奥氏体晶界、奥氏体晶内 某些位向。形状成细小针状。碳原子 仅能在铁素体针片内扩散，在某些位 向上以碳化物形式弥散析出。 上贝氏体和下贝氏体均为铁素体和 渗碳体的混合物。
上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。 下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧 性也较好，即具有良好的综合力学性能，是 生产上常用的强化组织之一。
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4.1.1钢在加热时的转变
2．奥氏体晶粒大小及其影响因素 （a）加热温度与保温时间 加热温度越高，晶粒长大速度越快，最终晶粒尺寸越大。当温度一定时， 随保温时间延长，晶粒不断长大。但随时间延长，长大速度越来越慢，最 终趋于某一稳定尺寸。 （b）钢的成分 C元素：在一定含 C量范围内，奥氏体中碳含量增加， C在奥氏体中扩散速 度及铁的自扩散速度均增大，晶粒长大倾向增大；碳量超过共析成分，碳 以未溶碳化物的形式存在，奥氏体晶粒长大受阻碍，晶粒长大倾向减小。 合金元素：适量Ti、V、Nb、Zr元素形成稳定碳化物阻止晶粒长大； Al以氧 化铝形式弥散分布在晶界细化晶粒； Mn 、 P元素固溶在奥氏体中削弱铁原 子间作用力，加速铁原子的扩散，促进晶粒长大。
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4.1.2钢在冷却时的转变
② 合金元素的影响 除Co 外, 凡溶入奥氏体的合金元素都使C 曲线右移； 某些合金对珠光体转变与贝氏体转变具有不同的延缓作 用，使C曲线出现两个“鼻子”。
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4.1.2钢在冷却时的转变
三、 过冷奥氏体连续冷却转变图
过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT 曲线，是通过测定不同冷速下过冷奥 氏体的转变量获得的。 共析钢的CCT曲线没有贝氏体转 变区，在珠光体转变区之下多了 一条转变中止线。 当连续冷却曲线碰到转变中止线 时，珠光体转变中止，余下的奥 氏体一直保持到 Ms 以下转变为 马氏体。
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4.2.1退火
（2）等温退火
奥氏体化后快速冷至中温区再经恒温处理，使其发生珠光体转变， 然后再以稍快方式冷却的一种工艺。等温退火组织与硬度比完全退 火更为均匀。
2、过冷奥氏体中温转变
过冷奥氏体在550℃-Ms点之间等温分 解转变，转变产物为贝氏体，为半扩散 半切变的转变。 转变温度550℃－350℃区间的产物 称为上贝氏体，光镜下呈羽毛状。 转变特点： 奥氏体晶界向晶内生长。铁素体过饱 和，板条间断续渗碳体。
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4.1.2钢在冷却时的转变
转变特点：
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球化退火 再结晶退火
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4.2.1退火
（1）完全退火（重结晶退火）
加热至 AC3 以上 20-30℃，充分保温后随炉冷却或炉冷至 500-600℃ 后空冷，退火组织为铁素体＋珠光体。 目的： 1）通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化 和细化，提高性能； 2）中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状态的组织，以降低硬 度，改善切削加工性能; 3）消除内应力。 只适用于亚共析钢，对过共析钢完全退火会造成Fe3CⅡ 沿晶界析出并形成网状，使韧性下降。
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4.1.2钢在冷却时的转变
1、C曲线的建立 以共析钢为例： ⑴取一批小试样并进行奥氏体化。 ⑵将试样分组淬入低于A1 点的不 同温度的盐浴中,隔一定时间取一 试样淬入水中。 ⑶测定每个试样的转变量，确定各 温度下转变量与转变时间的关系。 ⑷将各温度下转变开始时间及终了 时间标在温度—时间坐标中，并分 别连线。